基于反步法和非线性动态逆的无人机三维航路跟踪制导控制

为实现无人机在大范围内稳定、精确地跟踪三维参考航路,基于制导与控制回路独立设计的思路,提出了一种无人机三维航路跟踪制导控制方法。在制导外环,引入沿参考航路飞行的虚拟无人机作为向导并利用反步法设计三维航路跟踪的非线性制导律;在控制内环,以非线性动态逆理论和奇异摄动理论为基础,设计由机动指令生成器、角度转换器、慢回路姿态控制器和快回路角速度控制器所组成的飞行控制模块,对制导外环给出的制导指令进行快速精确地跟踪。基于Lyapunov稳定性理论证明了无人机航路跟踪制导控制方法的稳定性。通过对比分析无人机6自由度模型下的三维航路跟踪仿真,说明所提出的制导控制方法能够使得无人机精确地跟踪参考航路,从而验证了该方法的有效性、合理性。     

基于非对称模型的欠驱动无人海洋运载器轨迹跟踪控制

研究一类欠驱动无人海洋运载器（UMV）的轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于非对称模型的积分反步控制方法。建立了非完全对称（左右对称、前后不对称）的欠驱动UMV水平面运动模型,考虑了系统阻尼系数矩阵和惯性系数矩阵非对角线元素存在非零项的问题;通过设计虚拟状态和控制输入反馈变换,解决了UMV轨迹跟踪控制过程中存在的角速度持续激励问题,得到了直线轨迹和曲线轨迹通用的跟踪控制器;在轨迹跟踪控制器当中引入跟踪误差的积分项,提高了UMV系统的全局稳定收敛速度,基于Barbalat引理和Lyapunov稳定性理论分析了系统的稳定性。借助实验室半物理仿真平台进行仿真实验,与传统基于对称模型的控制算法对比,体现出了基于非对称模型的欠驱动UMV轨迹跟踪控制方法的优越性。     

基于模型预测控制的无人驾驶履带车辆轨迹跟踪方法研究

无人驾驶履带车辆的轨迹跟踪面临着系统不确定性和外界干扰等难以克服的不利因素。针对这一问题,通过研究履带车辆的滑动转向特性,建立了基于瞬时转向中心的履带车辆运动学模型。同时,针对参考路径是离散路点序列的特点,提出了一种基于3次Bezier曲线的参考路径自适应拟合方法,在实现路径平滑基础上提供道路的曲率信息。考虑到模型不确定性和外界干扰对轨迹跟踪精度的影响,设计了基于模型预测控制的轨迹跟踪控制器,并引入反馈校正,系统地处理无人驾驶履带车辆建模误差、环境约束以及执行机构约束。实车试验结果表明,该方法可以有效地抑制系统不确性和外界干扰的影响,实现无人驾驶履带车辆高精度的轨迹跟踪控制。     

巡航导弹鲁棒轨迹线性化控制器设计

基于轨迹线性化控制方法研究了巡航导弹控制器的设计问题。考虑到系统建模误差和外界干扰等不确定因素对TLC控制器性能的影响,研究了鲁棒轨迹线性化控制方法,设计了相应的控制器,并采用Lyapunov方法严格证明了闭环系统所有误差信号一致最终有界。最后应用新控制方案设计了巡航导弹飞行控制系统,仿真结果表明了方法的有效性。     

欠驱动自主水下航行器空间曲线路径跟踪控制研究

针对具有模型不确定性和输入饱和的欠驱动自主水下航行器(AUV),提出一种基于改进反步法的简单实用三维空间曲线路径跟踪鲁棒控制器。在 Serret-Frenet 坐标系下建立了空间曲线路径跟踪误差模型,结合视线角制导和虚拟向导法,设计了基于李雅普诺夫理论和改进反步法的运动学和动力学控制器。不同于传统的积分器反步法,该方法在控制器设计中采用跟踪误差的积分来增加控制器的鲁棒性,不会增加系统的状态变量和计算量;针对设计的运动学控制器存在非因果现象的问题,借助动力学模型求解出运动学控制器表达式;针对传统反步法存在的“微分爆炸”现象及动力学控制器过于复杂的问题,采用非线性跟踪微分器对控制器进行简化。仿真结果表明：采用所设计的基于改进反步法的控制器能够实现欠驱动 AUV 在模型参数不确定性和输入饱和作用下的三维空间曲线路径跟踪控制,控制精度和鲁棒性明显优于常规反步法。     

基于滑模变结构的无人直升机着舰控制研究

针对无人直升机着舰的特殊性,克服系统摄动、未建模动态及大气紊流的影响,提高舰载无人直升机着 舰的安全性和精度,基于滑模控制的方法分别设计了着舰控制系统的轨迹跟踪控制律和姿态控制律。采用基于输出 有界的twisting 控制器,通过轨迹跟踪算法保证生成有界的期望姿态角和总距;姿态部分采用小扰动线性化后的姿 态回路控制方程,设计了模型参考自适应滑模控制器,通过自适应项抵消外界干扰造成的误差,利用Lyapunov 稳定 性理论证明了系统的稳定性和跟踪误差收敛;通过仿真进行了实验验证。验证结果表明：所设计的控制器能够满足 无人直升机抗扰动和模型参数摄动的要求,并且设计方法简单,鲁棒性强,易于工程实现。     

基于角速率的低配置小型无人机高度控制律设计

采用鲁棒伺服最优控制方法（RSLQR,Robust Servo Linear Quadratic Regulator）设计了基于角速率的某小型无人机高度控制律。该方法将鲁棒指标和时域控制品质相融合,将跟踪误差扩展到系统动态模型中,利用线性二次型最优控制理论,设计了控制律结构和参数,实现了高度的无静差控制,保障了控制器的鲁棒性能。与常规控制器对比结果表明：基于角速率的控制器具有良好的高度跟踪效果和抗干扰能力,满足了小型低配置无人机的飞行控制要求。     

基于角速率的低配置小型无人机高度控制律设计

采用鲁棒伺服最优控制方法(robust servo linear quadratic regulator,RSLQR)设计了基于角速率的某小型无人机高度控制律。该方法将鲁棒指标和时域控制品质相融合,将跟踪误差扩展到系统动态模型中,利用线性二次型最优控制理论,设计了控制律结构和参数,实现了高度的无静差控制,保障了控制器的鲁棒性能。与常规控制器对比结果表明：基于角速率的控制器具有良好的高度跟踪效果和抗干扰能力,满足了小型低配置无人机的飞行控制要求。     

自动驾驶履带车辆鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法

针对野外环境中自动驾驶履带车辆轨迹跟踪控制问题,考虑建模误差、参数不确定性及外界随机强干扰,以强鲁棒性及精确跟踪为目标,提出一种基于误差符号鲁棒积分的自动驾驶履带车辆鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法。基于拉格朗日动力学方程建立自动驾驶履带车辆的运动学与动力学耦合模型;采用自适应控制方法实现对模型的精确前馈补偿,抵消模型非线性的影响;通过误差符号鲁棒积分有效抑制外界干扰及不确定性的影响;利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的全局渐进稳定性与收敛性。对仿真结果进行了实车实验一致性验证。仿真和实验结果证明：该方法在存在建模误差、参数不确定性、外界干扰条件下,在实现自动驾驶履带车辆高精度轨迹跟踪控制的同时,具有较强的自适应和鲁棒性。     

非完全对称无人两栖平台路径跟踪控制

为了提高非完全对称无人两栖平台的可靠性和机动性,研究其在浅水水域中的路径跟踪控制问题。分析水域深度对水动力导数的影响并对其进行修正,建立了更为精确的路径跟踪数学模型;对数学模型及参考路径进行变换,将路径跟踪误差转换到Serret-Frenet坐标系下进行描述,得到了位置跟踪和航向、纵向速度跟踪两个级联形式的子系统;基于级联系统理论证明了航向、纵向速度跟踪子系统与原系统的等价性。基于Backstepping方法设计航向、纵向速度子系统的全局稳定控制器,通过对直线和圆形参考路径的数学仿真以及对直线参考路径的实验研究,验证了该控制器的有效性。     

基于反馈线性化的靶弹弹道跟踪制导律设计

针对导弹靶弹的弹道跟踪精度问题,基于反馈线性化和最优控制理论设计了一种弹道跟踪制导律。首先,通过对靶弹进行受力分析,建立靶弹纵向运动非线性方程组;其次,根据反馈线性化理论的定义和充要条件,详细推导得出靶弹的精确线性化运动方程;最后,通过最优控制理论设计弹道跟踪制导指令,并在阵风干扰和不同机动飞行弹道下,与基于小扰动法和固化系数法设计的跟踪制导律进行比较。结果表明:基于反馈线性化法设计的弹道跟踪制导律具有较高的弹道跟踪精度和较低的需用过载。     

基于参考观测器的无人直升机航迹跟踪控制

为实现无人直升机在工程应用中的精确航迹跟踪控制,从工程应用的角度提出基于参考观测器的航迹跟踪控制方法。根据航迹指令,通过参考观测器实时估算出无人直升机期望跟踪的状态量与控制量,作为航迹跟踪控制器的参考输入,再利用全状态反馈控制,操纵直升机跟踪期望的航迹,并以某型直升机为控制对象,在典型机动下进行航迹跟踪控制仿真验证。结果表明,该系统具有良好的航迹跟踪性能,且算法简单,易于实现。     

变质心控制高速滑翔弹动力学与控制律研究

为研究变质心控制高速滑翔弹在下滑弹道上的动力学建模与弹道跟踪控制问题,基于Lagrange分析力学建立了滑翔弹在下滑纵向平面上的动力学方程,并将其转化为标准状态方程.在标准下滑弹道的某配平点上作小扰动线性化,然后根据LQR理论设计了飞行控制律.控制律通过沿弹头纵轴移动的滑块实现,可避免空气舵在高速飞行条件下的气动热烧蚀等问题.数值仿真表明,滑块具有强大的控制能力,只需在较小范围内移动即可有效控制弹头精准跟踪标准下滑弹道,验证了本文方法的有效性和可行性.     

远程变后掠翼巡航导弹多任务弹道设计及仿真

为研究适配变后掠翼巡航导弹多任务飞行的弹道设计问题,将导弹飞行过程分为爬升、巡航、下滑、盘旋和攻击5个飞行阶段。为了使导弹实现快速平稳的爬升和下滑,并顺利地转入巡航和盘旋阶段,弹道高度采用指数形式的程序飞行高度指令函数,并根据导弹运动方程,解析出高度指令函数关键参数的选择公式; 盘旋段采用覆盖作战区域的圆形弹道,偏航过载指令由与作战区域面积相关弹道曲率得出; 巡航段采用等高飞行直线弹道,攻击段采用自动寻的导引。弹道仿真结果表明,所设计的多任务弹道及指令合理,满足多任务飞行和高精度制导要求。     

空射飞航导弹姿态控制的一种自适应方法

为解决空射飞航导弹气动力矩导数不确定条件下姿态控制问题,基于动态逆和非线性系统无源性稳定理论设计了一种姿态自适应控制器.该控制器包括控制律和参数估计器两部分.控制律根据估计器提供的对象参数估值在线调整控制参数.采用李亚普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.数值仿真表明该方法在保证参数估计误差有界的同时实现了导弹对姿态角指令的快速无静差跟踪.     

饱和输入限制下欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪控制

针对控制输入存在饱和限制的欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪问题,提出了一种饱和 控制方法。在航迹跟踪误差方程基础上,设计了一种误差信号观测器对原有跟踪误差进行近似,以避免由于跟踪误差直接求导所引起的控制器表达式的复杂化现象;推导得到一种新的误差动力学方程,通过引入一种光滑有界函数作为输入饱和条件的近似,以及一种Nussbaum型偶函数,设计了饱和动力学控制器;根据Lyapunov理论证明了该控制器能够使得自主水下航行器在控制输入饱和限制下,可以实现对任意光滑水平面航迹的跟踪控制,并保证跟踪误差是全局最终一致有界的。仿真实验结果验证了该设计方法是有效的,且对于模型参数误差具有一定的鲁棒性。     

某型无人机三维空间航迹跟踪控制方法研究

研究某型无人机三维空间航迹跟踪问题,通过在理想航迹上选取一系列航迹点,将航迹跟踪问题转换为航迹点跟踪问题。建立了无人机的动力学模型,将无人机的速度坐标系对准航迹点所在的理想坐标系,使位置跟踪问题转化为姿态跟踪问题。推导了无人机的制导律,并利用滑模变结构控制理论和反步控制理论分别设计了姿态控制器和速度控制器,姿态控制器使飞行器的速度矢量方向对准航迹点所在的方向,然后利用速度控制器控制速度的大小使飞行器到达预定航迹点。对整个制导、控制系统进行了全系统仿真,仿真结果表明：所设计的控制器具有较高的跟踪精度,且具有较强的抗干扰能力。     

基于改进量子进化算法的巡航导弹航路规划方法

针对巡航导弹作战区域广阔、航路规划效率低的问题,提出了基于改进量子进化算法(IQEA)的巡航导弹航路规划方法。首先分析并确定巡航导弹航路规划空间,建立航路评价的代价指标;针对实数编码量子进化算法容易早熟、陷入局部最优的缺点,引入染色体的概率表达特性,使得每条染色体均能以一定概率表达优化问题的所有可行解;借鉴遗传算法的思想,在IQEA中引入染色体繁殖机制,结合动态量子门实现染色体的进化,实现算法局部搜索和全局搜索的平衡。仿真实验结果表明,基于带繁殖机制的IQEA的航路规划算法能够快速、稳定地搜索到代价更低的航路,所规划航路能够有效进行威胁规避、地形回避和地形跟随。